Наноматериалы используются во множестве новых приложений, таких как целевые фармацевтические препараты или для поддержки других материалов и продуктов, таких как датчики и устройства для сбора и хранения энергии. Команда инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе использует наночастицы в качестве нагревателей для управления электрической активностью нейронов в головном мозге и кардиомиоцитов в сердце.
Результаты, опубликованные 3 июля 2021 года в Advanced Materials могут быть перенесены на другие типы возбудимых клеток и служат ценным инструментом в нанонейроинженерии.
Шрикант Сингаманени, ученый-материаловед, и Барани Раман, инженер-биомедик, и их команды совместно разработали неинвазивную технологию, которая подавляет электрическую активность нейронов с помощью наночастиц полидофамина (КПК) и ближнего инфракрасного света. Отрицательно заряженные наночастицы PDA, которые избирательно связываются с нейронами, поглощают ближний инфракрасный свет, который создает тепло, которое затем передается нейронам, подавляя их электрическую активность.
«Мы показали, что можем подавлять активность этих нейронов и останавливать их возбуждение, не только включаться и выключаться, но и поэтапно, », – сказал Сингаманени, профессор Lilyan & E. Lisle Hughes в своей работе. Кафедра машиностроения и материаловедения. «Контролируя интенсивность света, мы можем контролировать электрическую активность нейронов. Как только мы остановим свет, мы можем полностью вернуть их обратно без каких-либо повреждений».
Помимо их способности эффективно преобразовывать свет в тепло, наночастицы КПК обладают высокой биосовместимостью и биоразлагаемостью. Наночастицы в конечном итоге разлагаются, что делает их удобным инструментом для использования в экспериментах in vitro и in vivo в будущем.
«Когда вы наливаете сливки в горячий кофе, они растворяются и превращаются в кофе со сливками в процессе диффузии», объяснил он. «Это похоже на процесс, который контролирует, какие ионы входят в нейроны и выходят из них. Диффузия зависит от температуры, поэтому, если вы хорошо справляетесь с теплом, вы контролируете скорость диффузии вблизи нейронов. Это в свою очередь повлияет на электрическую активность клетки. Это исследование демонстрирует концепцию, согласно которой фототермический эффект, преобразующий свет в тепло, вблизи нейронов, меченных наночастицами, может быть использован как способ удаленного управления определенными нейронами »
Чтобы продолжить аналогию с кофе, команда разработала фототермическую пену, которая похожа на кубик сахара, образуя плотную популяцию наночастиц в плотной упаковке, которая действует быстрее, чем отдельные кристаллы сахара, которые рассеиваются, сказал Раман.
«Поскольку их так много, упаковано в небольшой объем, пена быстрее преобразует свет в тепло и дает более эффективный контроль только тем нейронам, которые нам нужны», – сказал он . «Вам не нужно использовать энергию высокой интенсивности, чтобы вызвать тот же эффект».
Кроме того, команда, в которую входит Джон Сильва, доцент кафедры биомедицинской инженерии, применила наночастицы КПК к кардиомиоцитам или клеткам сердечной мышцы. Интересно, что фототермический процесс возбуждает кардиомиоциты, показывая, что этот процесс может увеличивать или уменьшать возбудимость клеток в зависимости от их типа.
«Возбудимость клетки или ткани, будь то кардиомиоциты или мышечные клетки, в определенной степени зависит от диффузии», – сказал Раман. «Хотя кардиомиоциты имеют другой набор правил, можно ожидать, что принцип, регулирующий чувствительность к температуре, будет аналогичным».
Теперь команда изучает, как разные типы нейронов реагируют на процесс стимуляции. Они будут нацелены на определенные нейроны, избирательно связывая наночастицы, чтобы обеспечить более избирательный контроль.
Источник: https://wustl.edu/[19459007provided